生物修复技术在水环境治理中的应用与发展

公霞

临沂市生态环境监控中心，山东临沂，276000

0 引言

全球覆盖面积最广的资源是水资源，水资源也是人类生存的必备资源。我国的水资源是十分丰富，不仅有海域、江水、湖泊，还有冰川融水和地下水。但是目前我国的水环境却不容乐观。在全国的各大流域中，海河流域的污染指数最高，被鉴定为中度污染。黄河和松花江流域被鉴定为轻度污染[1]。在对污染物的判别和鉴定中，以总磷、高锰酸盐、氨氮和重金属为主要的污染物质。水环境被大量污染不利于人类的可持续发展，对于水环境的治理迫在眉睫。本文提出采用生物修复技术，希望能够解决水污染问题，还人类良好的水环境。

1 生物修复技术的概念

生物修复技术主要应用于受到有毒有害物质污染的生物群体中，通过生物自身的新陈代谢来实现生物污染净化的一种技术。目前，我国的生物修复技术主要包含生物促生技术、生物通气技术、生物强化技术和生物堆肥技术。针对我国的水体富营养化和黑水恶臭等水环境污染治理，常见的生物修复技术是使用耦合的新陈代谢，并辅助化学物质来控制引起水污染的菌落群体和污染物降解，从而达到治理净化水体的效果。对于水体污染，最容易治理的是水体表层的治理，可以采用人工滤床技术和生物氧化塘技术来进行治理。在治理过程中容易受到水体的流动速度和污水的水体表面清晰可见度的影响，需要合理地控制氧气的排放量，并在污染的水体中加入微生物[2]。这些微生物的生长和繁殖，能够吸收或分解受污染水体中的污染物质。相对于表层的污水治理，受污染水体的底层更难治理。在底层治理中通常会在底泥中加入微生物含量和氧气来解决底层污染，必要的时候也可以加入一些化学药物来辅助治理，从而为水体中生物的生长提供良好的环境，实现水体污染生物修复。上面只是从表层治理和底层治理两个维度简单阐述和应用了生物修复技术，实际上的生物修复技术有更多的表现形式和应用，本文也通过理论和实践的基础，总结和分析了生物修复技术在水环境治理中的应用，详情见下文分析，希望能够促进我国的水环境良性可持续发展。

2 生物修复技术在水环境治理中的应用

2.1 微生物净化法

微生物净化法是目前最为常见的生物修复技术，它最大的特点就是见效快且修复能力强。微生物净化法就是利用微生物的作用来实现水环境治理的方法，具体可以分为微生物投放法、促生剂净化法和生物膜法。从微生物投放法来分析，这种方法前期需要投入大量的时间来对水体污染进行监测，并参照监测的数据分析出污染水体的污染源[3]。然后对症下药，选择对污染源净化能力强的微生物菌种。选定微生物菌种后需要人为地进行培育，提高微生物菌种的活力和抵抗力。最后将培育成功的微生物菌种投放入受污染的水体中。即根据受污染水体的监测分析，预先选定出具有较强净化功能的微生物菌种，并经人工培养、筛选，将其直接投入到受污染水体中。微生物投放法常选择的微生物菌种主要是Clear-Flo菌剂、光合细菌和硝化细菌，最常使用的污染水体环境是水产养殖的水域[4]。从促生剂净化法来分析，这种方法的原理是先对受污染水体现有的微生物进行分析，寻找能够促进微生物生长的促生剂，并将这个促生剂投入受污染水体，促进微生物的生长和繁殖，从而达到吸收和分解污染物质的作用。这种方式的使用能够有效地实现原有水体的治理，但是存在促生剂难以选择正确和水体再次污染的问题，建议不到万不得已的情况下不要使用这种方式来进行水环境治理。从生物膜法来分析，这种技术本质上就是过滤的原理来进行污染水体的治理。首先是将具有吸附污染物作用的微生物统一都覆盖在薄膜上面，形成微生物膜。然后将微生物膜放置于水体的流向处，使得水体的污染物在流水的引导下流向微生物膜，并吸附于微生物膜中。如果是相对静止或者流速缓慢的水域，可以将微生物膜放在固定的一面，再人为地进行驱赶污染物流向微生物膜。这种方式对原有水体不会产生第二次污染，但是这种方式需要消耗大量的精力，并且水体污染净化的效果并不彻底。

2.2 水生植物净化法

水生植物净化法在生物修复技术中是最为绿色环保的一种方法，其具体表现可以分为生态浮岛法、底泥生物氧化法和人工湿地法。从生态浮岛法来分析，这种方法是通过水底安装固定装置，让水生植物能够固定在水体中，让水生植物的根系沿着固定装置四周延展，并通过发达的根系网络来过滤、吸附和溶解水中污染物，从而达到净化水中污染物的方式。生态浮岛的治理效果十分的明显，以2016年护仓河的治理前后进行对比。治理前水呈现深绿色，水质混浊且污染严重，但是使用生态浮岛后的水质已经没有那么混浊，河水也没有那么污染了。

从底泥生物氧化法来分析，这种方法是通过给水体植物种植处的底泥施加一些助生长的药剂和氧气，促进水体植物快速氧化和生长，提高底泥生物的降解能力。这种方式使用的好处在于能够让底泥生物获得氧化和生长动力的同时降低底泥中盐分的散播，降低水体富营养化的风险，减少污染水体的内在污染源[5]。从人工湿地法来分析，人工湿地法是通过人工建造池塘，将受污染的水体导入这个人造池塘中，利用池塘里面的植物、微生物和化学物质等，将受污染的水体净化的一种生物修复技术。人造池塘的结构是多样的，结构不同其发挥的作用也就不同，具体见下表1。从表格中可以了解到，人造池塘的工艺流程主要分为阶梯式、折流式和复合式三种，每种所具有的特点也不一样。阶梯式工艺流程的特点在于它的去氮去磷效果好，折流式的工艺流程具有吸附水体异味能力强的特点，而复合式的工艺流程则能够减轻堵塞发生的概率。人造池塘的布水方式也有潜流和垂直流两种形式。潜流具有过滤的作用，对污水的去污效果明显要比垂直流要好，而且垂直流是将水流竖向流入填料底部，这样的布水池塘修建起来，费用相当的昂贵。每种工艺流程和布水方式都有其独有的特点，选用那种工艺流程和布水方式，需要根据受污染的水质状况来选择合适的方式。

表1 人造池塘结构

2.3 水体人工增氧法

水体人工增氧法是通过给水体增加氧气浓度，从而提高水体微生物的生长速率，提升微生物吸收和分解污水能力的一种生物修复技术。这种技术通常应用在城市中的水体。在城市中的水体由于受到城市建筑和河流阻断的影响，通常会呈现出水体流动性差甚至静止的状态，并且水体的宽度和深度都相对较小，水体容量小。受到水体自身的因素和城市环境的影响，城市的水体受污染程度高，含氧量低且自我净化能力低。采用水体人工增氧法，一方面能够在短时间内增加水体中的氧气含量，加快水体微生物的生长，促进对水体污染物质的净化，将水体的状态由含氧量低转变为氧气充足的状态。另外一方面，水体人工增氧法能够针对城市水体富营养化导致水体表层氧气充足、水体底层缺氧的情况，对影响水体富营养化的化学物质加速硝化反应速度，从而改善水体富营养化的状态，有利于水体的快速修复。

2.4 生态护岸法

生态护岸法采用的方式是结合水体两岸的植物来实现水体净化的一种生物修复技术。许多城乡都已经采用生态护岸法来保护水环境。这种方法需要在河道的两边坡面修建河流向两岸过渡的护岸坡，会在护岸坡上种植一些生物植被。生态护岸法对水环境的治理和保护是多方面的。首先生态护岸能够提高水环境的自我净化能力[6]。生态护岸对水环境的影响是潜移默化的。在护岸的植被通过呼吸作用，能够提高水体的氧气，并能够分解水体空中的有害气体，提高水体的净化。其次生态护岸法的运用构建了水陆缓冲带，降低水体受污染的程度。水陆缓冲带的形成，使得由城市或者路人产生的大量废弃垃圾不容易直接进入到河流中，绝大多数的废弃垃圾被滞留于水陆缓冲带中，从而降低水体被污染的可能。

2.5 生物反应器技术

生物反应器技术是升级版生物膜法，它的运用原理与生物膜法类似，但是不同在于这种生物反应器技术加入了医学、食品与化工等现代科学的运用，使得形成的生物膜更为科学、高效且便捷。生物反应器的内部就已经有足够大的生物膜载体，这种生物反应器放入水中，能够快速地依附于微生物，并快速在水体中展开形成生物膜，从而吸附和分解水中的污染物，达到净化水体的作用。生物反应技术最早应用于国外，美国、德国、日本等国家都已经普遍采用这种技术来处理污水污染问题，我国在一些发达的沿海地区也有研发和使用这种技术。生物反应器技术的优点在于使用便捷、污水净化效果良好和运行费用低，但是它不足的地方是造价相对比较昂贵，所以即使它是污水处理的良好帮手，但是也主要在大型的污水处理厂中使用。

3 生物修复技术在水环境治理中的发展趋势

3.1 生物反应器的深度研究与发展

生物反应器的研究和发展将成为生物修复技术在水环境治理中的主要发展趋势。这里所指的生物反应器不仅仅是升级版的生物膜的生物反应器，还包括氧气类型的生物反应器和活性污泥的生物反应器。从研究中我们可以了解到，水体富营养化、水体缺氧以及底泥缺氧水环境污染的三大主要污染源，对水体的治理也主要从水体微生物、水体增氧和底泥增氧几个维度来处理污染源。未来发展的生物反应技术，在氧气管理方面，能够测试水体中的氧气含量，并根据水体含氧量不同，对水体充入不同含量的氧气，提高水体微生物的生长和分解污染物的能力，并提高水体的自身净化能力。而对于底泥缺氧的处理，不再是简单地充氧来解决这一问题，而是通过活性污泥的生物反应器技术来改变底泥的状态[7]。生物反应器技术的研究能够将科学力量结合生物修复的原理，不仅简便了水环境治理的方式，而且提高水环境治理的效率和效益，促进水环境的治理和可持续发展。

3.2 建立各种生物监测手段

生物修复技术的内容很多，具体采用哪种生物修复技术，需要充分考察受污染的水环境状态，所以对水环境内的生物监测就显得十分的重要。因此，建立各种生物的监测手段也是未来生物修复技术在水环境治理中发展的重要趋势。在对水环境中生物的监测，主要依靠于两种方式。一种方式是对比参照研究。这种方式主要是针对受污染水环境中的指示种、耐污种和敏感种进行监测，从而找到受污染的水环境治理方法。另一种方式是生物生长监测。这种方式主要是针对受污染水环境中生物所展示的生长形态变化、遗传基因突变以及群落多样性指数来进行观察和监测。生物的监测手段多样化有助于为生物修复技术提供更为精准的数据和污水治理方向，在水环境治理中发挥着不可或缺的作用。

3.3 微生物的生物修复研发

在河流、湿地和湖泊的生物修复工作逐渐备受重视的背景下，利用微生物进行生物修复的技术更加得到实操和学术界的重视，从而研发出多种微生物制剂。相对于其他简单的生物修复技术，微生物制剂来进行生物修复对技术的考验更大，这也是未来生物修复技术在水环境治理中的发展必然趋势。微生物的生物修复技术主要侧重于培育水环境污染源的抗体，并将这些抗体通过优劣筛选和培育，使它能够具备抵抗和净化水环境污染源的能力。这种微生物制剂的使用，能够从根本上一次性解决水环境污染问题，并且能够防止水环境再次被污染。

4 结语

综上所述，生物修复技术已经在水环境治理中具有实际的应用实例，并且在使用过程中，其便捷性、快速性和效益性都得到了国内外的一致认可。本文中提出的生物修复技术在水环境治理中的应用，主要包括微生物净化法、水生植物净化法、水体人工增氧法、生态护岸法以及生物反应器技术。在这几项生物修复技术中，以微生物净化法和水生植物净化法使用的频率最高，也是最为常见的。而生物反应器技术由于造价较高，且技术相对不够成熟，所以只是局部运用。本文从现有的生物修复技术出发，以生物反应器的深度研究、各种生物监测手段和微生物的生物修复研发三个维度来探寻未来生物修复技术在水环境治理中发展，相信在生物反应器技术、微生物技术以及生物监测技术的通力协助下，我国未来水环境治理问题将不会成为困扰各界的难题。